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Diodos. Semicondutores. Estrutura atômica Os materiais semicondutores mais comuns são o silício (Si) e o Germânio (Ge), que em estado puro apresentam-se na forma de um cristal, significando que seus átomos acham-se dispostos uniformemente em uma configuração rígida.
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Semicondutores Estrutura atômica • Os materiais semicondutores mais comuns são o silício (Si) e o Germânio (Ge), que em estado puro apresentam-se na forma de um cristal, significando que seus átomos acham-se dispostos uniformemente em uma configuração rígida. • Esses materiais são tetravalentes, ou seja, possuem 4 elétrons na órbita de valência, conforme a figura a seguir.
Semicondutores • Como a estabilidade é atingida com oito elétrons na última órbita, cada átomo desses materiais faz 4 ligações covalentes com quatro átomos vizinhos, tornando-se estáveis e dando origem a estrutura cristalizada, conforme figura a seguir.
Semicondutores • Da forma como se apresenta esse semicondutor, não há corrente, pois os elétrons acham-se presos às ligações de valência, ou seja, não há elétrons livres para a condução. • Para que haja corrente, é necessário romper as ligações covalentes mediante o fornecimento de energia suficiente para isso, nas formas de luz, calor, etc.
Semicondutores Geração de Pares Elétron-Lacuna • Se houver o rompimento de uma ligação covalente, ocorre a liberação de um elétron e o surgimento de um espaço vazio onde ele se encontrava. • A esse vazio damos o nome de lacuna. • Portanto, o rompimento da ligação covalente gera um par elétron-lacuna.
Semicondutores • A lacuna comporta-se como uma carga positiva, pois pode se mover de um lado a outro do cristal, sempre no sentido contrário ao movimento do elétron. • A figura mostra que quem realmente tem mobilidade são os elétrons livres. • Ao se deslocarem em direção ao potencial negativo da fonte, eles ocupam sucessivas lacunas. • Com isso as lacunas deslocam-se em sentido contrário, isto é, em direção ao potencial positivo da fonte.
Processo de Dopagem nos Semicondutores • Dopagem é o nome do processo utilizado para constituir os semicondutores P e N por meio da adição ao Si de quantidades bem reduzidas de impurezas.
Processo de Dopagem nos Semicondutores Formação do semicondutor P • Para a formação do semicondutor P são adicionados ao silício átomos trivalentes. • São trivalentes os átomos que possuem três elétrons em suas órbitas de valência, como, por exemplo, o alumínio, o índio, o boro e o gálio.
Processo de Dopagem nos Semicondutores • Se introduzirmos no silício, que é tetravalente, uma pequena quantidade de material trivalente, os elétrons dessa impureza farão ligações covalentes com os elétrons de silício. • A figura a seguir representa a dopagem do silício por átomos de boro.
Processo de Dopagem nos Semicondutores • No entanto, falta um elétron para completar a ligação em cada átomo trivalente, pois ele colaborou apenas com três elétrons, enquanto o silício possui quatro elétrons. • Esta falta de um elétron comporta-se como uma carga positiva, ou seja, uma lacuna. • Assim, de um modo artificial, consegue-se gerar lacunas sem gerar elétrons livres. • Esse semicondutor com excesso de lacunas é denominado P.
Processo de Dopagem nos Semicondutores Formação do semicondutor N • Para formação do semicondutor N são adicionados ao silício átomos pentavalentes. • São pentavalentes os átomos que possuem cinco elétrons em suas órbitas de valência, como, por exemplo, o fósforo e o arsênio.
Processo de Dopagem nos Semicondutores • Se introduzirmos no silício, que é tetravalente, uma pequena quantidade de material pentavalente, os elétrons dessa impureza farão ligações covalentes com os elétrons de silício. • A figura a seguir representa a dopagem do silício por átomos de fósforo.
Processo de Dopagem nos Semicondutores • No entanto, há uma sobra de um elétron livre do átomo pentavalente, pois ele não faz ligação covalente com nenhum elétron dos átomos de silício. • De um modo artificial, consegue-se gerar elétrons livres sem gerar lacunas. • Esse semicondutor com excesso de elétrons livres é denominado N.
Junção PN - Diodo • A união de um semicondutor P com um N pode ser realizada de modo a constituir um cristal único. • Esse cristal é denominado junção PN ou diodo de junção ou anda diodo. • No momento em que a junção desses semicondutores é feita, inicia-se um processo de difusão de cargas, isto é, o deslocamento de cargas de regiões de elevada concentração para regiões de baixa concentração.
Junção PN - Diodo • A figura a seguir mostra como este processo se desenvolve, em que está apresentada uma junção PN não polarizada. • O semicondutor N apresenta um grande número de elétrons e o semicondutor P, um grande número de lacunas. Logo, ao formar a junção PN, ocorre a difusão dos elétrons livres do lado N para o P.
Junção PN - Diodo • No lado N, a ausência de elétrons cria uma região de íons positivos (cátions) próximos a junção. • No lado P, quando os elétrons ocupam a lacunas que também encontram-se próximas da junção (recombinação elétron-lacuna), eles criam íons negativos (ânions). • Durante esse processo de difusão, conforme os íons vão sendo formados, a barreira de potencial (camada de depleção) cresce. • Com isso o fluxo de elétrons de N para P diminui, pois os elétrons provenientes do lado N precisam ultrapassar a barreira negativa do lado P para continuar a recombinação. • Desta forma, o processo de difusão cessa quando ocorre um equilíbrio de cargas na junção.
Junção PN - Diodo • A barreira de potencial produzida na junção no final do processo de difusão corresponde a uma diferença de potencial (ddp) cujo valor depende do material semicondutor e da temperatura ambiente. • À temperatura ambiente, a barreira de potencial vale aproximadamente 0,6V para o semicondutor de silício.
Junção PN - Diodo • No diodo, o terminal do lado P é denominado anodo (A) e o terminal do lado N é denominado catodo (K).
Polarização do diodo Diodo reversamente polarizado • A aplicação da tensão reversa provoca um alargamento da camada de depleção. • Fisicamente, ocorre que a tensão reversa externa atua de forma a impedir a circulação de elétrons através da junção. • O diodo polarizado reversamente comporta-se como uma resistência muito elevada. É considerado como um circuito aberto.
Polarização do diodo Diodo diretamente polarizado • Nesse caso, a tensão externa ajuda os elétrons livres do lado N a vencer a camada de depleção, assim, há facilidade para a circulação de corrente. • O diodo polarizado diretamente comporta-se como uma resistência muito baixa. É considerado um curto-circuito.
Curva Característica do Diodo • Primeiro quadrante: enquanto a tensão sobre o diodo é menor do que a barreira de potencial (0,6V), a corrente é praticamente nula. A partir de 0,6V a corrente cresce muito, como se o diodo estivesse em curto. • Terceiro quadrante: a corrente reversa é muito pequena e cresce muito pouco com o aumento de tensão. No entanto, há um valor de tensão denominado tensão de ruptura (VRmax) que faz com que o diodo inicie um processo de condução reversa.
Diodo Emissor de Luz - LED • LED (Light Emitting Diode): diodo emissor de luz. • Trata-se de um dispositivo opto-eletrônco que emitem luz quanto é polarizado diretamente. • O princípio de funcionamento baseia-se na irradiação de energia eletromagnética (produz luz) que há quando elétrons do lado N cruzam a junção e se recombinam com lacunas do lado P. • Os LEDs utilizam elementos como o gálio (Ga), arsênio (As) e o fósforo (P) em sua fabricação.
